DE102004034870A1 - System for recovering water from an exhaust stream of a fuel cell of an aircraft - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Wassergewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeuges mit einer Brennstoffzelle zur Energieversorgung des Luftfahrzeuges, mit einer Entspannungseinheit, in der das Brennstoffzellenabgas entspannt wird, sowie mit einem Kondensor zur Kondensation von Wasser in dem Brennstoffzellenabgas, wobei der Kondensor auf seiner warmen Seite von dem Brennstoffzellenabgas und auf seiner kalten Seite von einem Kühlmedium durchströmt wird. Dabei ist vorgesehen, dass die warme Seite des Kondensors der Entspannungseinheit vorgeschaltet ist und dass das Kühlmedium durch in der Entspannungseinheit entspanntes, entfeuchtetes Brennstoffzellenabgas gebildet wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Luftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen System zur Wassergewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeuges.The present invention relates to a system for recovering water from an exhaust stream of a fuel cell of an aircraft with a fuel cell for powering the aircraft, with a relaxation unit in which the fuel cell exhaust gas is expanded, and with a condenser for condensing water in the fuel cell exhaust gas, wherein the condenser its warm side is flowed through by the fuel cell exhaust gas and on its cold side by a cooling medium. It is provided that the warm side of the condenser of the expansion unit is connected upstream and that the cooling medium is formed by relaxed in the expansion unit, dehumidified fuel cell exhaust gas. The invention further relates to an aircraft with a system according to the invention for obtaining water from an exhaust gas stream of a fuel cell of an aircraft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Wassergewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeuges mit einer Brennstoffzelle zur Energieversorgung des Luftfahrzeuges, mit einer Entspannungseinheit, in der das Brennstoffzellenabgas entspannt wird sowie mit einem Kondensor zur Kondensation von Wasser aus dem Brennstoffzellenabgas, wobei der Kondensor auf seiner warmen Seite von dem Brennstoffzellenabgas und auf seiner kalten Seite von einem Kühlmedium durchströmt wird.The The present invention relates to a system for recovering water an exhaust stream of a fuel cell of an aircraft with a fuel cell for powering the aircraft, with a relaxation unit in which the fuel cell exhaust gas relaxes is used as well as with a condenser for condensation of water from the Fuel cell exhaust, with the condenser on its warm side from the fuel cell exhaust and on its cold side from one cooling medium flows through becomes.

Ein derartiges System zur Wassergewinnung ist aus der DE 102 16 709 A1 bekannt. Diese Druckschrift betrifft ein Verfahren zur Wasseraufbereitung und Verteilung von bordgeneriertem Wasser in Luftfahrzeugen. Zur Erzeugung elektrischer Energie dient eine Hochtemperatur – Brennstoffzelle, der ein Kondensationsprozess nachgeschaltet ist, mittels dessen Wasser aus dem Abgas der Brennstoffzelle auskondensiert wird. Der Kondensationsprozess umfasst eine Turbine sowie einen dieser nachgeschalteten Wärmetauscher. Der Wärmetauscher wird auf seiner kalten Seite von Luft durchströmt, die anschließend der Brennstoffzelle zugeführt wird.Such a system for water extraction is from the DE 102 16 709 A1 known. This document relates to a method for water treatment and distribution of airborne water in aircraft. To generate electrical energy is a high-temperature fuel cell, which is followed by a condensation process, by means of which water is condensed from the exhaust gas of the fuel cell. The condensation process comprises a turbine and one of these downstream heat exchangers. The heat exchanger is traversed by air on its cold side, which is then fed to the fuel cell.

Ein einer Brennstoffzelle nachgeschaltetes Wasserabscheidesystem ist ferner aus der DE 198 21 952 C2 bekannt. Aus dieser Druckschrift ist es bekannt, den Abgasstrom der Brennstoffzelle über einen mit Flugzeug-Umgebungsluft gekühlten Wasserkondensor zu führen, wobei durch eine Temperaturabsenkung der feuchten Luft Wasser auskondensiert wird, das mittels eines Kondensatableiters einem Wasserreservoir zugeführt wird.A downstream of a fuel cell Wasserabscheidesystem is further from the DE 198 21 952 C2 known. From this document it is known to guide the exhaust gas stream of the fuel cell via a cooled with aircraft ambient air water condenser, which is condensed by lowering the temperature of the humid air water, which is supplied by means of a steam trap a water reservoir.

Als Verwendungszweck für das abgeschiedene Wasser wird in der DE 142 16 709 A1 die Luftbefeuchtung/Klimatisierung und die WC-Spülung, Trinkwasserversorgung, Duschwasserversorgung und Waschwasserversorgung beschrieben.As a purpose for the separated water is in the DE 142 16 709 A1 the humidification / air conditioning and toilet flushing, drinking water supply, shower water supply and wash water supply described.

Bisher bekannte Systeme zur Wassergewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle für Luftfahrzeuganwendungen sind gekennzeichnet durch einen nach einer Entspannungsturbine im Niederdruckbereich angeordneten Kondensor, der als Wärmesenke beispielsweise mit Stauluft durchströmt wird.So far known systems for recovering water from an exhaust stream of a Fuel cell for aircraft applications are characterized by an after expansion turbine in the Low pressure area arranged condenser, which serves as a heat sink for example, with ram air flows through.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein System zur Wassergewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle eines Flugzeuges dahingehend weiterzubilden, dass dessen Effizienz gegenüber vorbekannten Systemen gesteigert wird.It the object of the present invention is a system for obtaining water from an exhaust stream of a fuel cell of an aircraft to the effect to further develop that increased its efficiency over prior art systems becomes.

Diese Aufgabe wird durch ein System zur Wassergewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeuges mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist vorgesehen, dass die warme Seite des Kondensors der Entspannungseinheit vorgeschaltet ist und dass als Kühlmedium das in der Entspannungseinheit entspannte, entfeuchtete Brennstoffzellenabgas dient. Die Kondensation des Wassers erfolgt dementsprechend im Hochdruckbereich. Die Kondensation des im Abgasstrom der Brennstoffzelle enthaltenen Wassers ist aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten im Hochdruckbereich vor der Entspannungseinheit effektiver, so dass ein höherer Kondensationsgrad erhalten wird und auch eine wirksamere Entwässerung des Brennstoffzellenabgases erfolgen kann als bei vorbekannten Systemen. Dies ermöglicht eine nachfolgende Abkühlung der Luft auf Temperaturen weit unterhalb des Gefrierpunktes.These Task is by a system for water extraction from an exhaust gas flow a fuel cell of an aircraft with the characteristics of Patent claim 1 solved. Thereafter, it is envisaged that the warm side of the condenser of the relaxation unit upstream and that as a cooling medium the relaxed in the relaxation unit, dehumidified fuel cell exhaust serves. The condensation of the water takes place accordingly in the high pressure area. The condensation of the contained in the exhaust stream of the fuel cell Water is due to physical laws in the high pressure area before the relaxation unit more effective, so that a higher degree of condensation obtained and also a more effective dewatering of the fuel cell exhaust gas can be done as in prior art systems. This allows a subsequent Cooling the air at temperatures well below freezing.

Das Kühlmedium des Kondensors wird durch in der Entspannungseinheit entspanntes, entfeuchtetes Brennstoffzellenabgas gebildet.The cooling medium of the condenser is relaxed by in the expansion unit, dehumidified fuel cell exhaust gas formed.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung steht der Kondensor auf seiner warmen Seite auslassseitig mit der Einlassseite eines Wasserabscheiders in Verbindung In dem Wasserabscheider wird die von dem Kondensor einströmende Luft beispielsweise durch eingebaute Umlenkbleche (Swirl Vanes) in Drehung versetzt. Die relativ großen Wassertropfen werden durch die Zentrifugalkraft nach außen geworfen, wo sie sich in einem Sumpf ansammeln. Grundsätzlich sind auch beliebige andere Ausgestaltungen des Wasserabscheiders denkbar.In preferred embodiment of the invention is the condenser its warm side outlet side with the inlet side of a water separator In the water separator is that of the condenser incoming Air, for example, by built-in baffles (Swirl Vanes) in Rotation offset. The relatively large drops of water are going through the centrifugal force to the outside thrown where they accumulate in a swamp. Basically also any other embodiments of the water separator conceivable.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein regenerativer Wärmetauscher vorgesehen ist, dessen warme Seite der warmen Seite des Kondensors vorgeschaltet ist. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der regenerative Wärmetauscher auf seiner kalten Seite einlassseitig mit dem Auslass des Wasserabscheiders und auslassseitig mit dem Einlass der Entspannungseinheit in Verbindung steht. Die regenerative Wärmeübertragung hat in dieser Ausgestaltung die Erfindung die Aufgabe, die verbleibende Restfeuchtigkeit durch Wärmezufuhr zu verdampfen und die dem regenerativen Wärmeübertrager nachfolgende Entspannungseinheit vor Wasserschlag und Vereisung zu schützen und zu deren Leistungssteigerung beizutragen. Ebenso ist es denkbar, dass kein Reheater vorgesehen ist, und dass das Brennstoffzellenabgas in die warme Seite des Kondensors, anschließend in den Wasserabscheider und von dort in die Entspannungseinheit geführt wird. Das aus der Entspannungseinheit austretende Abgas dient vorzugsweise als Kühlmedium für den Kondensor bzw. wird der kalten Kondensorseite zugeführt.Especially It is advantageous if a regenerative heat exchanger is provided, its warm side precedes the warm side of the condenser is. It is preferably provided that the regenerative heat exchanger on the cold side on the inlet side with the outlet of the water separator and on the outlet side with the inlet of the expansion unit in connection stands. The regenerative heat transfer In this embodiment, the invention has the object, the remaining residual moisture by heat to evaporate and the regenerative heat exchanger subsequent expansion unit to protect against water hammer and icing and to increase their performance contribute. Likewise, it is conceivable that no reheater provided is, and that the fuel cell exhaust into the warm side of the condenser, then in the water separator and from there into the relaxation unit is performed. The exiting from the expansion unit exhaust gas is preferably used as a cooling medium for the Condenser or is the cold Kondensorseite supplied.

Somit kann vorgesehen sein, dass der Kondensor auf seiner kalten Seite einlassseitig mit dem Auslass der Entspannungseinheit in Verbindung steht.Consequently can be provided that the condenser on its cold side On the inlet side with the outlet of the expansion unit is in communication.

Somit ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Wasser aus dem Brennstoffzellenabgas in einem Hochdruckwasserabscheidekreislauf abgetrennt wird, wobei das Abgas vorzugsweise zunächst den Reheater, anschließend den Kondensor und schließlich den Wasserabscheider durchströmt, in dem das in dem Kondensor auskondensierte Wasser abgeschieden wird. Nach Passieren des Wasserabscheiders strömt in dieser Ausgestaltung der Erfindung das entfeuchtete Brennstoffzellenabgas durch die kalte Seite des regenerativen Wärmetauschers, wobei es aufgewärmt wird, und sodann in die Entspannungseinheit, die vorzugsweise als Turbine ausgestaltet ist. Die Entspannungseinheit steht auslassseitig mit der Einlassseite der kalten Seite des Kondensors in Verbindung. Vorzugsweise dient das entfeuchtete, in der Entspannungseinheit gekühlte Brennstoffzellenabgas als Kühlmedium für den Kondensor und wird somit zur Kondensation der Feuchtigkeit des Brennstoffzellenabgases genutzt. Nach Passieren der kalten Seite des Kondensors wird das Brennstoffzellenabgas als „Offgas" in die Umgebung abgegeben.Consequently it is preferably provided that the water from the fuel cell exhaust gas is separated in a Hochdruckwasserabscheidekreislauf, wherein the exhaust preferably first the reheater, then the condenser and finally flows through the water separator, in which the water condensed out in the condenser is separated off becomes. After passing through the water separator flows in this embodiment the invention, the dehumidified fuel cell exhaust gas through the cold Side of the regenerative heat exchanger, being warmed up and then into the relaxation unit, preferably as Turbine is configured. The relaxation unit is on the outlet side to the inlet side of the cold side of the condenser. Preferably, the dehumidified serves in the relaxation unit cooled fuel cell exhaust as a cooling medium for the Condenser and is thus used to condensation of the moisture of the fuel cell exhaust gas used. After passing the cold side of the condenser, the fuel cell exhaust gas discharged as "offgas" into the environment.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Hauptwärmeübertrager vorgesehen ist, der auf seiner warmen Seite von Brennstoffzellenabgas durchströmt wird und der Entspannungseinheit vorgeschaltet ist und der auf seiner kalten Seite von Stauluft oder Kabinenluft durchströmt wird. Die Anordnung eines derartigen Wärmeübertragers vor der Entspannungsstufe hat energetische Vorteile in Bezug auf Wärmeübertragerleistung und Baugröße aufgrund des höheren Temperaturunterschiedes zwischen Wärmesenke (Stauluft oder Kabinenabluft) und Wärmequelle (Prozessluft bzw. Brennstoffzellenabgas).Farther can be provided that a main heat exchanger is provided, the flows through on its warm side of fuel cell exhaust gas and the relaxation unit is upstream and on his cold side of ram air or cabin air is flowed through. The arrangement of such a heat exchanger before the relaxation stage has energetic benefits in terms of Heat exchanger capacity and size due of the higher one Temperature difference between heat sink (ram air or cabin exhaust air) and heat source (Process air or fuel cell exhaust gas).

Der Hauptwärmeübertrager kann in einem Stauluftkanal einer Flugzeugklimaanlage oder in einem separaten Stauluftkanal eines Flugzeuges angeordnet sein. Im Bodenbetrieb ist vorzugsweise vorgesehen, dass ein elektrisch angetriebenes Gebläse, das am Auslass des Hauptwärmeübertragers angeordnet ist, Außenluft durch den Hauptwärmeübertrager fördert. Dieses Gebläse ist nicht erforderlich, falls der Hauptwärmeübertrager in einem bestehenden Stauluftkanal einer Flugzeugklimaanlage (Environmental Control System (ECS)) angeordnet ist und auch im Bodenbetrieb von dort mit Kühlluft versorgt wird. Eine Anordnung des Hauptwärmeüber tragers in einem ohnehin vorhandenen Stauluftkanal einer Flugzeugklimaanlage macht die Installation eines separaten Stauluftkanals am Luftfahrzeug überflüssig.Of the Main heat exchanger can in a ram air duct of an aircraft air conditioning or in a be arranged separate ram air duct of an aircraft. In ground operation is preferably provided that an electrically driven fan, the at the outlet of the main heat exchanger is arranged, outside air through the main heat exchanger promotes. This fan is not required if the main heat exchanger in an existing ram air duct an aircraft air conditioning system (Environmental Control System (ECS)) arranged is and is supplied from there with cooling air in the ground operation. A Arrangement of the main heat exchanger in an already existing ram air duct of an aircraft air conditioning system makes the installation of a separate ram air duct on the aircraft superfluous.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasserabscheider mit der kalten Seite des Hauptwärmeübertragers, vorzugsweise mit dessen kalter Einlassseite oder mit der kalten Seite eines Stauluftwärmeübertragers einer Flugzeugklimaanlage, vorzugsweise mit dessen kalter Einlassseite in Verbindung steht, so dass überschüssiges, abgeschiedenes Wasser am Eintritt der Kühlluft des Hauptwärmeübertragers oder eines Stauluftkühlers des ECS oder in den Hauptwärmeübertrager bzw. Stauluftkühler eingespritzt werden kann, um dort die Kühlleistung zu erhöhen.In Another embodiment of the invention provides that the water separator with the cold side of the main heat exchanger, preferably with its cold inlet side or with the cold one Side of a ram air heat exchanger an aircraft air conditioning system, preferably with its cold inlet side communicates so that excess, isolated Water at the entrance of the cooling air of the main heat exchanger or a ram air cooler of ECS or in the main heat exchanger or ram air cooler can be injected to increase the cooling capacity there.

Wie oben ausgeführt, ist die Entspannungsstufe vorzugsweise als Turbine ausgeführt.As stated above the expansion stage is preferably designed as a turbine.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Turbine und ein Verdichter auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, der einlassseitig mit der Luftversorgung für die Brennstoffzelle und auslassseitig mit der Brennstoffzelle in Verbindung steht. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Turbine auf einer Welle sitzt, die mit einem Motor und/oder einem Generator in Verbindung steht bzw. einen Motor und/oder ein Getriebe aufweist. Auf dieser Welle kann ferner der genannte Verdichter angeordnet sein.Farther can be provided that the turbine and a compressor on one Common shaft are arranged, the inlet side with the air supply for the Fuel cell and the outlet side with the fuel cell in conjunction stands. Furthermore, it can be provided that the turbine on a shaft which communicates with a motor and / or a generator stands or has a motor and / or a transmission. On this Shaft can also be arranged said compressor.

Ebenso ist es grundsätzlich möglich, den Verdichter unabhängig von der Turbine bzw. Entspannungseinheit auszuführen.As well it is basically possible, the compressor independent to run from the turbine or relaxation unit.

Um die Energieeffizienz des Systems weiter zu steigern, kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle im Flug von Kabinenabluft versorgt wird. Diese Abluft stellt ein deutliches Exergiepotential dar, da sie auf einem höheren Druck bzw. Temperaturniveau als die Umgebungsluft zur Verfügung steht. Am Prozessende wird über die Entspannungsstufe bzw. Turbine aus der verbleibenden Druckenergie mecha nische Leistung zurückgewonnen, die über den auf der gleichen Welle befindlichen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.Around It is possible to further increase the energy efficiency of the system be that the fuel cell in flight supplied by cabin exhaust air becomes. This exhaust air represents a significant exergy potential because she on a higher Pressure or temperature level than the ambient air is available. At the end of the process will be over the relaxation stage or turbine from the remaining pressure energy recovered mechanical power, the above the generator located on the same shaft in electrical Energy is converted.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine weitere Entspannungseinheit vorgesehen, die einlassseitig mit Kabinenabluft beaufschlagt wird und auslassseitig mit der kalten Seite des Hauptwärmeübertragers in Verbindung steht. Denkbar ist, dass ein Teil der Kabinenabluft entweder direkt oder über die Entspannungsstufe bzw. – turbine als Wärmesenke dem Hauptwärmeübertrager zugeführt wird. Falls ausreichend Kabinenabluft zur Verfügung steht, kann auf eine zusätzliche Zufuhr von Stauluft verzichtet werden. Hierdurch werden die energetischen Verluste durch die Stauluftnutzung am Luftfahrzeug verringert. Im Fehlerfall (bei Kabinendruckverlust) wird das System vollständig über Außenluft mit Luft versorgt und mit Stauluft gekühlt.In Another embodiment of the invention is another relaxation unit provided, which is acted upon inlet side with cabin exhaust air and on the outlet side with the cold side of the main heat exchanger communicates. It is conceivable that some of the cabin exhaust air either directly or via the relaxation stage or turbine as a heat sink the Main heat exchanger supplied becomes. If sufficient cabin exhaust air is available, can on an additional Supply of ram air can be dispensed with. This will be the energetic Reduced losses due to the use of ram air on the aircraft. in the Failure (with cabin pressure loss), the system is completely over fresh air supplied with air and cooled with ram air.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei der Brennstoffzelle um eine Hochtemperaturbrennstoffzelle handelt.In Another embodiment of the invention is provided that it is in the fuel cell is a high-temperature fuel cell.

Der Begriff „Brennstoffzelle" umfasst gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur eine einzelne Brennstoffzelle, sondern vorzugsweise auch ein Brennstoffzellensystem, beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel.Of the The term "fuel cell" encompasses the present invention Invention not only a single fuel cell, but preferably also a fuel cell system, for example a fuel cell stack.

Der Brennstoffzelle kann ein Reformer zur Herstellung von Wasserstoff vorgeschaltet und ein Nachbrenner nachgeschaltet sein. Bei dem Reformer handelt es sich beispielsweise um einen autothermischen Reformer.Of the Fuel cell can be a reformer for the production of hydrogen upstream and downstream of an afterburner. When the reformer acts it is, for example, an autothermal reformer.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Brennstoffzelle, der Reformer, sowie der Nachbrenner vorzugsweise in einem gemeinsamen Druckkessel angeordnet sind. Der Druckkessel kann mit Inertgas, vorzugsweise mit Stickstoff, oder auch mit Druckluft, vorzugsweise mit in dem Verdichter gemäß Anspruch 10 verdichteter Druckluft bedruckt sein. Es kann ein On-Board Inert Gas Generation System (OBIGGS) vorgesehen sein, aus dem der Druckkessel mit Inertgas, vorzugsweise mit Stickstoff versorgt wird.Especially It is advantageous if the fuel cell, the reformer, as well the afterburner preferably arranged in a common pressure vessel are. The pressure vessel can be treated with inert gas, preferably with nitrogen, or with compressed air, preferably in the compressor according to claim 10 compressed compressed air to be printed. It can be an on-board inert Gas generation system (OBIGGS) be provided, from which the pressure vessel with inert gas, preferably with nitrogen.

Die Erfindung betrifft ferner ein Luftfahrzeug mit einem System zur Wassergewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle eine Hilfsgasturbine (Auxiliary Power Unit (APU)), die üblicherweise im Heck des Luftfahrzeuges eingebaut ist, ersetzt und die elektrische Energieversorgung am Boden wie auch im Flug auf einem effizienten Niveau realisiert.The The invention further relates to an aircraft with a system for Water extraction from an exhaust stream of a fuel cell according to a the claims 1 to 18. It can be provided that the fuel cell a Auxiliary gas turbine (Auxiliary Power Unit (APU)), commonly installed in the rear of the aircraft, replaced and the electric Energy supply on the ground as well as in flight on an efficient Level realized.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:Further Details and advantages of the invention will be apparent from a in the Drawing illustrated embodiment explained in more detail. It demonstrate:

1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems zur Wassergewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeuges, 1 : a schematic representation of the system according to the invention for obtaining water from an exhaust gas flow of a fuel cell of an aircraft,

2: ein System gemäß 1 mit zusätzlicher Entspannungsstufe zur Abkühlung der Kabinenluft und modifiziertem Hochdruckwasserabscheidekreislauf. 2 : a system according to 1 with additional relaxation stage for cooling the cabin air and modified Hochdruckwasserabscheidekreislauf.

1 zeigt die in einem Druckkessel (Press. Vessel) angeordnete Brennstoffzelle BZ bzw. das Brennstoffzellensystem, das zur Energieversorgung eines Luftfahrzeuges dient. Bei der Brennstoffzelle BZ handelt es sich um eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)), der ein autothermischer Reformer ATR vorgeschaltet ist. In dem autothermischen Reformer ATR wird das zugeführte Kerosin, das in einem Verdampfer EVAP verdampft wurde zu Wasserstoff und weiteren Reaktionsprodukten umgesetzt. Der Wasserstoff wird der Brennstoffzelle BZ anodenseitig zugeführt. Die Brennstoffzelle BZ wird kathodenseitig mit Luft (Kabinenabluft oder Umgebungsluft) beaufschlagt, die vor der Zufuhr zur Brennstoffzelle BZ in einem Wärmetauscher HX. erwärmt wird. Der Brennstoffzelle nachgeschaltet ist ein Nachbrenner (Burner) der auslassseitig mit der heißen Seite des genannten Wärmetauschers HX. sowie des Verdampfers EVAP in Verbindung steht, wie dies aus 1 hervorgeht. 1 shows the arranged in a pressure vessel (Press Vessel) fuel cell BZ or the fuel cell system, which serves to power an aircraft. The fuel cell BZ is a solid oxide fuel cell (SOFC), preceded by an autothermal reformer ATR. In the autothermal reformer ATR, the supplied kerosene vaporized in an EVAP evaporator is converted to hydrogen and other reaction products. The hydrogen is supplied to the fuel cell BZ on the anode side. The fuel cell BZ is charged with air (cabin exhaust air or ambient air) on the cathode side, which before being supplied to the fuel cell BZ in a heat exchanger HX. is heated. Downstream of the fuel cell is an afterburner (Burner) on the outlet side with the hot side of said heat exchanger HX. as well as the evaporator EVAP is related, like this 1 evident.

Wie dies aus 1 weiter ersichtlich ist, befindet sich die Brennstoffzelle BZ der Reformer ATR sowie der Nachbrenner in dem isolierten Druckkessel. Der isolierte Kessel ist notwendig, um die hohe konstante Umgebungstemperatur (600 bis 800 °C), die für den elektrochemischen Prozess notwendig ist, zu gewährleisten. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die mechanische Druckbelastung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellen-Stacks aufgrund des Differenzdruckes zur Kesselumgebung reduziert ist. Der Druckkessel ist mit Inertgas, vorzugsweise mit Stickstoff bedruckt, um die Explosionsgefahr bei austretendem Wasserstoff aus dem Reformer ATR oder der Brennstoffzelle BZ zu beseitigen. Wie aus 1 ersichtlich, kann das Inertgas von einem luftfahrzeugeigenen System (On-Board Inert Gas Generation System (OBIGGS)) erzeugt werden, das auch für die aus Sicherheitsgründen notwendige Tankbelüftung Inertgas generiert. Optional kann der Druckkessel auch mit Druckluft versorgt werden, die von dem Verdichter C bereitgestellt wird. Diese Option ist in 1 mit dem Vermerk „pressurisation" dargestellt. Aufgrund der Komponentendruckverluste nach dem Kompressor C ist der Kesseldruck immer geringfügig höher als der Prozessdruck, vorausgesetzt der Kessel ist dicht. Dies bewirkt, dass bei einer Leckage an den Systemkomponenten (Brennstoffzelle, Reformer) immer Luft in das System hineingedrückt wird und es somit zu keiner sicherheitskritischen Konzentration im Kessel kommen kann.Like this 1 It can also be seen that the fuel cell BZ of the reformer ATR and the afterburner is located in the isolated pressure vessel. The insulated boiler is necessary to ensure the high constant ambient temperature (600 to 800 ° C) necessary for the electrochemical process. Another advantage results from the fact that the mechanical pressure load of the fuel cell or the fuel cell stack is reduced due to the differential pressure to the boiler environment. The pressure vessel is printed with inert gas, preferably nitrogen, in order to eliminate the risk of explosion in the case of escaping hydrogen from the reformer ATR or the fuel cell BZ. How out 1 As can be seen, the inert gas can be generated by an on-board inert gas generation system (OBIGGS), which also generates inert gas for the tank ventilation required for safety reasons. Optionally, the pressure vessel can also be supplied with compressed air, which is provided by the compressor C. This option is in 1 Due to the component pressure losses after the compressor C, the boiler pressure is always slightly higher than the process pressure, provided that the boiler is tight, causing air to leak into the system components (fuel cell, reformer) Pressed system and it can thus come to any safety-critical concentration in the boiler.

Wie aus 1 weiter ersichtlich, durchströmt das heiße Brennstoffzellenabgas nach Passieren des Verdampfers EVAP den Hauptwärmeübertrager MHX. Dieser Wärmeübertrager wird auf seiner kalten Seite von Umgebungsluft oder Kabinenabluft durchströmt und kühlt dabei das auf der warmen Seite zugeführte Brennstoffzellenabgas. Ein elektrisch angetriebener Fan (RAM Air Fan (RAF)), der am Auslass des Hauptwärmeübertragers MHX angeordnet ist, zieht Außenluft über den Hauptwärmeübertrager MHX. Ist der Hauptwärmeübertrager in einem bestehenden Stauluftkanal einer Flugzeugklimaanlage (ECS) angeordnet und wird dieser auch im Bodenbetrieb von dort mit Kühlluft versorgt, ist der RAF nicht erforderlich. Bei einer derartigen Konstruktion entfällt die Installation eines separaten Stauluftkanals am Luftfahrzeug. Grundsätzlich ist es jedoch ebenso möglich, dass der Hauptwär meübertrager in einem separaten Stauluftkanal, d. h. nicht im Stauluftkanal einer Flugzeugklimaanlage angeordnet ist.How out 1 Further, the hot fuel cell exhaust gas flows through the main heat exchanger MHX after passing through the evaporator EVAP. This heat exchanger is flowed through on its cold side of ambient air or cabin exhaust air and cools the supplied on the warm side fuel cell exhaust gas. An electrically driven fan (RAM Air Fan (RAF)) located at the outlet of the main heat exchanger MHX draws outside air via the main heat exchanger MHX. If the main heat exchanger is arranged in an existing ram air duct of an aircraft air conditioning system (ECS) and if it is also supplied with cooling air in ground operation from there, the RAF not required. In such a construction eliminates the installation of a separate ram air duct on the aircraft. In principle, however, it is also possible that the main heat meübertrager in a separate ram air duct, that is not arranged in the ram air duct of an aircraft air conditioning.

Nach Durchströmen des Hauptwärmeübertragers MHX strömt das vorgekühlte Brennstoffzellenabgas in die warme Seite eines im Hochdruckbereich, d. h. vor der Entspannungseinheit angeordneten regenerativen Wärmeübertragers REH (im folgenden Reheater genannt). Das Brennstoffzellenabgas durchströmt sodann die warme Seite des dem Reheater REH nachgeschalteten Kondensors CON, in dem die Kondensation von in dem Brennstoffzellenabgas enthaltenem Wasser erfolgt. In dem der warmen Seite des Kondensors nachgeschalteten Wasserabscheider WE wird die vom Kondensor CON einströmende Luft durch eingebaute Umlenkbleche (Swirl Vanes) in Drehung versetzt. Dabei werden die relativ großen Wassertropfen durch die Zentrifugalkraft nach außen geworfen, wo sie sich in dem in 1 dargestellten Sumpf ansammeln. Die Wasserabscheidung vollzieht sich wie auch die Kondensation somit ebenfalls im Hochdruckbereich, d. h. vor der Entspannung. Anschließend durchströmt das auf diese Weise entfeuchtete Brennstoffzellenabgas die kalte Seite des Reheaters REH, wobei die verbleibende Restfeuchtigkeit durch Wärmezufuhr verdampft wird, was zur Leistungssteigerung der der kalten Seite des Reheaters REH nachgeschalteten Turbine T1 führt und diese vor Wasserschlag und Vereisung schützt. Nach Entspannung des Brennstoffzellenabgases in der Turbine T1 wird dieses durch die kalte Seite des Kondensors CON geführt und dient somit als Kühlmedium für den Kondensationsprozess. Das Abgas wird anschließend an die Flugzeugumgebungsluft als Offgas abgeführt.After flowing through the main heat exchanger MHX, the pre-cooled fuel cell exhaust gas flows into the warm side of a regenerative heat exchanger REH (hereinafter referred to as reheater) arranged in the high-pressure region, ie in front of the expansion unit. The fuel cell exhaust gas then flows through the warm side of the reheater REH downstream condenser CON, in which the condensation of water contained in the fuel cell exhaust gas takes place. In the water separator WE connected downstream of the warm side of the condenser, the air flowing in from the condenser CON is set in rotation by means of integrated deflectors (swirl vanes). The relatively large drops of water are thrown by the centrifugal force to the outside, where they are in the in 1 accumulate swamp shown. The water separation takes place as well as the condensation thus also in the high pressure area, ie before the relaxation. Subsequently, the dehumidified in this way fuel cell exhaust gas flows through the cold side of the reheater REH, wherein the remaining residual moisture is evaporated by supplying heat, which leads to the performance of the cold side of the reheater REH downstream turbine T1 and protects them from water hammer and icing. After relaxation of the fuel cell exhaust gas in the turbine T1 this is passed through the cold side of the condenser CON and thus serves as a cooling medium for the condensation process. The exhaust gas is then discharged to the aircraft ambient air as offgas.

Das im Wasserabscheider abgeschiedene Wasser wird einerseits zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasser (FC Water Supply) verwendet. Überschüssiges, abgeschiedenes Wasser kann optional vorzugsweise am Eintritt der Kühlluft des Hauptwärmeübertragers MHX oder auch eines Stauluftkühlers einer Flugzeugklimaanlage eingespritzt werden, um dort die Kühlleistung zu erhöhen. Die Zufuhr des Wassers zum Hauptwärmeübertrager MHX ist in 1 durch die gestrichelte Linie angedeutet.The water separated in the water separator is used on the one hand to supply the fuel cell with water (FC Water Supply). Excess, separated water can optionally optionally be injected at the inlet of the cooling air of the main heat exchanger MHX or a ram air cooler of an aircraft air conditioning system, in order to increase the cooling capacity there. The supply of water to the main heat exchanger MHX is in 1 indicated by the dashed line.

Wie aus 1 ersichtlich, sitzt die Turbine T1 mit dem Verdichter C, dem Motor M und dem Generator G auf einer gemeinsamen Welle. Der Verdichter C dient zur Kompression von Kabinenabluft oder Umgebungsluft, die nach ihrer Kompression dem Brennstoffzellensystem BZ zugeführt wird. Wie aus 1 ersichtlich, wird die verdichtete Luft einerseits dem Verdampfer EVAP für Kerosin und andererseits einem Wärmeübertrager HX. zugeführt. Nach Durchströmen dieses Wärmeübertragers wird die Luft der Kathodenseite der Brennstoffzelle BZ zugeleitet.How out 1 As can be seen, the turbine T1 sits with the compressor C, the motor M and the generator G on a common shaft. The compressor C is used for compression of cabin exhaust air or ambient air, which is supplied to the fuel cell system BZ after their compression. How out 1 can be seen, the compressed air on the one hand to the evaporator EVAP for kerosene and on the other hand, a heat exchanger HX. fed. After flowing through this heat exchanger, the air is supplied to the cathode side of the fuel cell BZ.

Um die Energieeffizienz weiter zu steigern ist es vorteilhaft, wenn das Brennstoffzellensystem BZ im Flug von Kabinenabluft versorgt wird. Die Abluft stellt ein deutliches Exergiepotential dar, da sie auf einem höheren Druck bzw. Temperaturniveau als die Umgebungsluft zur Verfügung steht. Besonders bevorzugt ist es daher, wenn das System eingangsseitig mit Kabinenabluft beaufschlagt wird.Around To further increase energy efficiency it is advantageous if the fuel cell system BZ supplied in flight of cabin exhaust air becomes. The exhaust air is a clear Exergiepotential because she on a higher Pressure or temperature level than the ambient air is available. It is therefore particularly preferred if the system input side with cabin exhaust air is applied.

Die Brennstoffzelle BZ gemäß 1 dient zur Bereitstellung elektrischer Energie, die beispielsweise zum Antrieb des Motors der Welleneinrichtung dient, auf der sich ferner die Turbine T1, der Verdichter C und der Generator G befinden. Die elektrische Energie kann ferner dazu verwendet werden, das Gebläse RAF des Hauptwärmeübertragers anzutreiben. Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle BZ eine Hilfsgasturbine APU, die üblicherweise im Heck eines Luftfahrzeuges eingebaut ist, ersetzt und die elektrische Energieversorgung am Boden wie auch im Flug auf einem effizienteren Niveau realisiert. Hierbei sind alle Einflussgrößen wie energetischer Gesamtwirkungsgrad, Gewicht, Stauluftnutzung, Triebwerkszapfluftverbrauch etc., die eine energetische Beeinflussung des Luftfahrzeuges verursachen, zu berücksichtigen. Durch das erfindungsgemäße System wird Wasser aus dem Brennstoffzellenabgasstrom auskondensiert, vorzugsweise um den eigenen Wasserbedarf des Brennstoffzellensystems zu decken und das restliche Wasser an Bord des Luftfahrzeuges effektiv zu verwenden. Hierdurch wird der Luftfahrzeugenergieaufwand, der zum Transportieren der Wasserbevorratung notwendig ist, reduziert.The fuel cell BZ according to 1 serves to provide electrical energy, which serves for example for driving the motor of the shaft device, on which further the turbine T1, the compressor C and the generator G are located. The electrical energy may also be used to drive the blower RAF of the main heat exchanger. In principle it can be provided that the fuel cell BZ an auxiliary gas turbine APU, which is usually installed in the rear of an aircraft, replaced and realizes the electrical energy supply on the ground as well as in flight on a more efficient level. In this case, all factors such as overall energy efficiency, weight, ram air usage, engine bleed air consumption, etc., which cause an energetic influence on the aircraft, must be taken into account. By the system according to the invention, water is condensed out of the fuel cell exhaust stream, preferably in order to cover the own water demand of the fuel cell system and to effectively use the remaining water on board the aircraft. As a result, the aviation energy required to transport the water storage is reduced.

2 zeigt ein System zur Wassergewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeuges, das sich von dem System gemäß 1 dadurch unterscheidet, dass eine weitere Turbine T2 vorgesehen ist. Die zusätzliche Turbinenstufe T2 entspannt Kabinenabluft auf Umgebungsdruck. Die auf diese Weise gekühlte Luft wird als Wärmesenke dem Hauptwärmeübertrager MHX zugeführt. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird ein Teil der Kabinenabluft entweder direkt oder über die Entspannungsturbine T2 als Wärmesenke dem Hauptwärmeübertrager MHX zugeführt. Der Hauptwärmeübertrager MHX kann kaltluftseitig zusätzlich von Umgebungsluft durchströmt werden. Die Kabinenabluft wird gemäß 2 somit zur Versorgung der Brennstoffzelle BZ nach Verdichtung in dem Kompressor C als auch zur Kühlung des Hauptwärmeübertragers MHX verwendet. Sofern ausreichend Kabinenabluft zur Verfügung steht, kann auf eine zusätzliche Zufuhr von Stauluft verzichtet werden. Hierdurch werden die energetischen Verluste durch die Stauluftnutzung am Luftfahrzeug verringert. Für den Fall, dass sich ein Kabinendruckverlust ergibt, wird das System vollständig über Außenluft mit Luft versorgt und mit Stauluft gekühlt. 2 shows a system for recovering water from an exhaust stream of a fuel cell of an aircraft, which differs from the system according to 1 characterized in that a further turbine T2 is provided. The additional turbine stage T2 relaxes exhaust air from the cabin to ambient pressure. The air cooled in this way is supplied as a heat sink to the main heat exchanger MHX. In the embodiment according to 2 Part of the cabin exhaust air is fed either directly or via the expansion turbine T2 as a heat sink to the main heat exchanger MHX. The main heat exchanger MHX can be additionally flowed through by ambient air on the cold air side. The cabin exhaust air is according to 2 thus used to supply the fuel cell BZ after compression in the compressor C as well as for cooling the main heat exchanger MHX. If sufficient cabin exhaust air is available, an additional supply of ram air can be dispensed with. As a result, the energy losses through the Reduced ram air usage on the aircraft. In the event that a cabin pressure loss results, the system is completely supplied with air via outside air and cooled with ram air.

Ein weiterer Unterschied der Architektur gemäß 2 gegenüber dem System gemäß 1 ergibt sich daraus, dass der Hochdruckwasserabscheidekreislauf keinen Reheater aufweist. Wie aus 2 ersichtlich, strömt das in dem Hauptwärmeübertrager MHX gekühlte Brennstoffzellenabgas unmittelbar in die warme Seite des Kondensors CON und von dort in den Wasserabscheider WE zur Abscheidung des Kondensats. Der Wasserabscheider WE ist auslassseitig mit der Einlassseite der Entspannungsstufe, d. h. der Turbine T1 verbunden. In der Turbine T1 erfolgt die Entspannung des entfeuchteten Brennstoffzellenabgases. Nach dem Durchströmen der Turbine T1 wird das Brennstoffzellenabgasals Kühlmedium durch die kalte Seite des Kondensors CON geführt und sodann verworfen. Die Systeme gemäß 1 und 2 stimmen insoweit überein, dass das Brennstoffzellenabgas in einem der Turbine T1 vorgeschalteten Hochdruckwasserabscheidekreisluaf (HPWS loop) entfeuchtet wird.Another difference of the architecture according to 2 according to the system according to 1 results from the fact that the Hochdruckwasserabscheidekreislauf has no reheater. How out 2 As can be seen, the fuel cell exhaust gas cooled in the main heat exchanger MHX flows directly into the warm side of the condenser CON and from there into the water separator WE for separating the condensate. The water separator WE is connected on the outlet side to the inlet side of the expansion stage, ie the turbine T1. In the turbine T1, the expansion of the dehumidified fuel cell exhaust gas takes place. After flowing through the turbine T1, the fuel cell exhaust gas is passed as the cooling medium through the cold side of the condenser CON and then discarded. The systems according to 1 and 2 agree to the extent that the fuel cell exhaust gas is dehumidified in one of the turbine T1 upstream Hochdruckwasserabscheidekreisluaf (HPWS loop).

Wie aus 2 ersichtlich, befindet sich die zusätzliche Turbinenstufe T2 mit dem Luftverdichter C, der Abgasturbine T1 und dem Motor M/Generator G auf einer gemeinsamen Welle.How out 2 can be seen, the additional turbine stage T2 with the air compressor C, the exhaust turbine T1 and the motor M / generator G is on a common shaft.

Claims (19)

System zur Wassergewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeuges mit einer Brennstoffzelle (BZ) zur Energieversorgung des Luftfahrzeuges, mit einer Entspannungseinheit (T1), in der das Brennstoffzellenabgas entspannt wird sowie mit einem Kondensor (CON) zur Kondensation von Wasser aus dem Brennstoffzellenabgas, wobei der Kondensor (CON) auf seiner warmen Seite von dem Brennstoffzellenabgas und auf seiner kalten Seite von einem Kühlmedium durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die warme Seite des Kondensors (CON) der Entspannungseinheit (T1) vorgeschaltet ist und dass das Kühlmedium durch in der Entspannungseinheit (T1) entspanntes, entfeuchtetes Brennstoffzellenabgas gebildet wird.A system for recovering water from an exhaust stream of a fuel cell of an aircraft with a fuel cell (BZ) for powering the aircraft, with a relaxation unit (T1) in which the fuel cell exhaust gas is expanded and with a condenser (CON) for condensing water from the fuel cell exhaust gas the condenser (CON) is traversed by the fuel cell exhaust gas on its warm side and by a cooling medium on its cold side, characterized in that the warm side of the condenser (CON) precedes the expansion unit (T1) and the cooling medium passes through in the expansion unit (T1) relaxed, dehumidified fuel cell exhaust gas is formed. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensor (CON) auf seiner warmen Seite auslassseitig mit der Einlassseite eines Wasserabscheiders (WE) in Verbindung steht.System according to claim 1, characterized in that the condenser (CON) on the warm side on the outlet side with the Inlet side of a water separator (WE) communicates. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein regenerativer Wärmetauscher (REH) vorgesehen ist, dessen warme Seite der warmen Seite des Kondensors (CON) vorgeschaltet ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that a regenerative heat exchanger (REH) is provided is its warm side of the warm side of the condenser (CON) upstream is. System nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der regenerative Wärmetauscher (REH) auf seiner kalten Seite einlassseitig mit dem Auslass des Wasserabscheiders (WE) und auslassseitig mit dem Einlass der Entspannungseinheit (T1) in Verbindung steht.System according to claims 2 and 3, characterized that the regenerative heat exchanger (REH) on the cold side on the inlet side with the outlet of the water separator (WE) and on the outlet side with the inlet of the expansion unit (T1) in Connection stands. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensor (CON) auf seiner kalten Seite einlassseitig mit dem Auslass der Entspannungseinheit (T1) in Verbindung steht.System according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the condenser (CON) on its cold side inlet side with the outlet of the expansion unit (T1) in connection stands. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hauptwärmeübertrager (MHX) vorgesehen ist, der auf seiner warmen Seite von Brennstoffzellenabgas durchströmt wird und der Entspannungseinheit (T1) vorgeschaltet ist und der auf seiner kalten Seite von Stauluft oder Kabinenluft durchströmt wird.System according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a main heat exchanger (MHX) is provided on its warm side by fuel cell exhaust flows through is and the relaxation unit (T1) is connected upstream and the flows through on its cold side of ram air or cabin air. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptwärmeübertrager (MHX) in einem Stauluftkanal einer Flugzeugklimaanlage oder in einem separaten Stauluftkanal eines Flugzeuges angeordnet ist.System according to claim 6, characterized in that the main heat exchanger (MHX) in a ram air duct of an aircraft air conditioning system or in a separate ram air duct of an aircraft is arranged. System nach einem der Ansprüche 2 bis 5 und 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (WE) mit der kalten Seite, vorzugsweise mit der kalten Einlassseite des Hauptwärmeübertragers (MHX) oder mit der kalten Seite, vorzugsweise mit der kalten Einlassseite eines Stauluftwärmeübertragers einer Flugzeugklimaanlage in Verbindung steht, so dass überschüssiges, abgeschiedenes Wasser am Eintritt der Kühlluft des Hauptwärmeübertragers (MHX) oder im Hauptwärmeübertrager oder am Eintritt der Kühlluft eines Stauluftwärmeübertragers oder im Stauluftwärmeübertrager einer Flugzeugklimaanlage eingespritzt werden kann.System according to one of claims 2 to 5 and 6 or 7, characterized characterized in that the water separator (WE) with the cold side, preferably with the cold inlet side of the Hauptwärmeübertragers (MHX) or with the cold side, preferably with the cold inlet side a ram air heat exchanger an aircraft air conditioning system is connected so that excess, separated water at the inlet of the cooling air of Hauptwärmeübertragers (MHX) or in the main heat exchanger or at the entrance of the cooling air a ram air heat exchanger or in the ram air heat exchanger an aircraft air conditioning system can be injected. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungseinheit (T1) als Turbine ausgeführt ist.System according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the expansion unit (T1) is designed as a turbine. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine mit einem Verdichter (C) auf einer Welle sitzt, der einlassseitig mit der Luftversorgung für die Brennstoffzelle (BZ) und auslassseitig mit der Brennstoffzelle (BZ) in Verbindung steht.System according to claim 9, characterized in that that the turbine sits on a shaft with a compressor (C), the inlet side with the air supply for the fuel cell (BZ) and on the outlet side with the fuel cell (BZ) is in communication. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine auf einer Welle sitzt, auf der sich ein Motor (M) und/oder ein Generator (G) befindet oder die mit einem Motor (M) und/oder einem Generator (G) in Verbindung steht.System according to claim 9 or 10, characterized that the turbine sits on a shaft on which a motor (M) and / or a generator (G) is located or with a motor (M) and / or a generator (G) is in communication. System nach einem Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Entspannungseinheit (T2) vorgesehen ist, die einlassseitig mit Kabinenabluft beaufschlagt wird und auslassseitig mit der kalten Seite des Hauptwärmeübertragers (MHX) in Verbindung steht.System according to one of claims 6 to 11, characterized in that a further expansion unit (T2) is provided, the inlet side with cabin exhaust air and is on the outlet side with the cold side of the main heat exchanger (MHX) in communication. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Brennstoffzelle (BZ) um eine Hochtemperaturbrennstoffzelle handelt.System according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the fuel cell (BZ) is a High temperature fuel cell is. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle (BZ) ein Reformer (ATR) zur Herstellung von Wasserstoff vorgeschaltet und ein Nachbrenner (Burner) nachgeschaltet ist.System according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the fuel cell (BZ) is a reformer (ATR) upstream for the production of hydrogen and an afterburner (Burner) is downstream. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (BZ), der Reformer (ATR) sowie der Nachbrenner (Burner) in einem gemeinsamen Druckkessel angeordnet sind.System according to claim 14, characterized in that that the fuel cell (BZ), the reformer (ATR) and the afterburner (Burner) are arranged in a common pressure vessel. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkessel mit Inertgas, vorzugsweise mit Stickstoff, bedruckt ist.System according to claim 15, characterized that the pressure vessel with inert gas, preferably with nitrogen, is printed. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein On-Board Inert Gas Generation System (OBIGGS) zur Erzeugung des Inertgases, vorzugsweise des Stickstoffs, vorgesehen ist, das mit dem Druckkessel in Verbindung steht.System according to claim 16, characterized that an on-board Inert Gas Generation System (OBIGGS) for generating of the inert gas, preferably nitrogen, is provided communicates with the pressure vessel. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkessel mit Druckluft, vorzugsweise mit in dem Verdichter (C) gemäß Anspruch 10 verdichteter Druckluft bedruckt ist.System according to claim 15, characterized that the pressure vessel with compressed air, preferably in the compressor (C) according to claim 10 compressed compressed air is printed. Luftfahrzeug mit einem System zur Wassergewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18.Aircraft with a system for obtaining water from an exhaust gas stream of a fuel cell according to one of claims 1 to 18th
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005054882B3 (en) * 2005-11-17 2007-03-01 Airbus Deutschland Gmbh Sauna or shower unit for airplane has steam bath and vaporizer of water generated by fuel cell system that also supplies electricity to vaporizer
DE102006034814A1 (en) * 2006-07-27 2008-01-31 Airbus Deutschland Gmbh Water production system useful on board of aircraft, comprises fuel cell, condenser for condensing water from exhaust gas of the fuel cell, discharge opening, perforated separative element, two separate openings and an inlet
WO2009095218A1 (en) * 2008-01-30 2009-08-06 Airbus Operations Gmbh Aircraft fuel cell system
DE102011015827A1 (en) * 2011-04-01 2012-10-04 Liebherr-Aerospace Lindenberg Gmbh Pressurized air conditioning system i.e. conditioned service air system, for use in aircraft to produce oxygen-depleted exhaust air, has air supply sources formed by air conditioners or air conditioning systems

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8394552B2 (en) 2006-09-19 2013-03-12 Hamilton Sundstrand Corporation Jet fuel based high pressure solid oxide fuel cell system
WO2009082816A1 (en) * 2007-12-31 2009-07-09 Rafael Nathan Kleiman High efficiency silicon-based solar cells
DE102009040013B4 (en) 2009-09-03 2014-07-17 Airbus Operations Gmbh System for drying exhaust gases of a fuel cell system, method for drying exhaust gases of a fuel cell system, use and aircraft with at least one fuel cell system
DE102009051212B4 (en) * 2009-10-29 2013-08-08 Airbus Operations Gmbh Fuel cell system with an apparatus for drying exhaust gas, method for drying exhaust gas of a fuel cell system and aircraft with such a fuel cell system
DE102011106654A1 (en) 2011-04-21 2012-10-25 Airbus Operations Gmbh A method of manufacturing a solid oxide fuel cell element by a layered structure and a solid oxide fuel cell element
DE102011018448A1 (en) * 2011-04-21 2012-10-25 Airbus Operations Gmbh Drive unit for vehicle e.g. airplane, has combustion chamber inlet that is connected to fluid outlet of fuel cell arranged in upstream of combustion chamber
WO2012143489A1 (en) 2011-04-21 2012-10-26 Eads Deutschland Gmbh Drive unit, method for providing power, and use of a drive unit
DE102014227014A1 (en) * 2014-12-29 2016-06-30 Volkswagen Ag Fuel cell system and vehicle with such
DE102017001056A1 (en) * 2017-02-04 2018-08-09 Diehl Aerospace Gmbh Method and device for generating electrical energy
DE102017211268A1 (en) * 2017-07-03 2019-01-03 Audi Ag Plant for treating water
DE102020210532B3 (en) * 2020-08-19 2021-07-29 Thyssenkrupp Ag Compact recirculation area of a recirculation fuel cell device
US11628745B2 (en) 2021-02-05 2023-04-18 Beta Air, Llc Apparatus for a ground-based battery management for an electric aircraft
US20220332219A1 (en) * 2021-03-31 2022-10-20 ZeroAvia, Ltd. Exhaust water vapor management for hydrogen fuel cell-powered aircraft
EP4113673A1 (en) * 2021-07-02 2023-01-04 Hamilton Sundstrand Corporation Fuel cell system
CN113844678B (en) * 2021-12-02 2022-02-18 中国飞机强度研究所 Fresh air control system and control method for airplane test
DE102022121215A1 (en) * 2022-08-23 2024-04-25 MTU Aero Engines AG Aircraft fuel cell propulsion

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5084363A (en) * 1990-01-10 1992-01-28 International Fuel Cells Corp. Molten carbonate fuel cell power plant
US5573867A (en) * 1996-01-31 1996-11-12 Westinghouse Electric Corporation Purge gas protected transportable pressurized fuel cell modules and their operation in a power plant
IL121418A (en) * 1997-07-28 2000-11-21 Tat Aero Equipment Ind Ltd Air cycle air conditioning system
DE19821952C2 (en) * 1998-05-15 2000-07-27 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Power supply unit on board an aircraft
US6348278B1 (en) * 1998-06-09 2002-02-19 Mobil Oil Corporation Method and system for supplying hydrogen for use in fuel cells
JP3635938B2 (en) * 1998-09-25 2005-04-06 株式会社豊田自動織機 Fuel cell device
DE19943059B4 (en) 1999-09-09 2006-11-23 Daimlerchrysler Ag System for condensing a liquid from a gas stream
US20030230671A1 (en) * 2000-08-24 2003-12-18 Dunn James P. Fuel cell powered electric aircraft
US6547153B1 (en) * 2000-10-26 2003-04-15 Maxie C. Davis Heating and cooling system using frictional air heating
US7550218B2 (en) * 2001-10-11 2009-06-23 Airbus Deutschland Gmbh Apparatus for producing water onboard of a craft driven by a power plant
US7208239B2 (en) * 2001-10-11 2007-04-24 Airbus Deutschland Gmbh Fuel cell system and method with increased efficiency and reduced exhaust emissions
DE10216361B4 (en) * 2001-10-11 2004-08-05 Airbus Deutschland Gmbh Process for increasing efficiency and reducing exhaust gases in fuel cell systems
DE10152311A1 (en) 2001-10-26 2003-05-15 Audi Ag Fuel cell system, especially for vehicle, has fuel cell exhaust gas water recovery device with heat exchanger for achieving heat transfer between 2 different temperature cell exhaust gas flows
US6924051B2 (en) * 2002-04-03 2005-08-02 Modine Manufacturing Company Contact heater/humidifier for fuel cell systems
DE50301523D1 (en) * 2002-04-16 2005-12-08 Airbus Gmbh Process for the treatment of water and the distribution of ship-generated water in air, land and / or water vehicles
US20040025507A1 (en) * 2002-08-02 2004-02-12 Honeywell International Inc. Turbo compressor for use in OBIGGS application
US7037610B2 (en) * 2002-09-18 2006-05-02 Modine Manufacturing Company Humidification of reactant streams in fuel cells
JP2004134181A (en) * 2002-10-09 2004-04-30 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell container structure
FR2845825B1 (en) * 2002-10-10 2005-06-17 Renault Sa DEVICE FOR RECOVERING WATER IN AN ELECTRICITY PRODUCTION FACILITY COMPRISING A FUEL CELL
JP4484709B2 (en) * 2002-10-24 2010-06-16 エアバス・オペレーションズ・ゲーエムベーハー Device for generating water in an aircraft
GB0228003D0 (en) * 2002-11-30 2003-01-08 Honeywell Normalair Garrett Control of temperature of supply of pressurised air

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005054882B3 (en) * 2005-11-17 2007-03-01 Airbus Deutschland Gmbh Sauna or shower unit for airplane has steam bath and vaporizer of water generated by fuel cell system that also supplies electricity to vaporizer
DE102006034814A1 (en) * 2006-07-27 2008-01-31 Airbus Deutschland Gmbh Water production system useful on board of aircraft, comprises fuel cell, condenser for condensing water from exhaust gas of the fuel cell, discharge opening, perforated separative element, two separate openings and an inlet
DE102006034814B4 (en) * 2006-07-27 2010-01-14 Airbus Deutschland Gmbh Use of cabin air for water production by means of fuel cell exhaust gases
US7935447B2 (en) 2006-07-27 2011-05-03 Airbus Deutschland Gmbh Use of cabin air for generation of water via exhaust gas of a fuel cell
WO2009095218A1 (en) * 2008-01-30 2009-08-06 Airbus Operations Gmbh Aircraft fuel cell system
US8623566B2 (en) 2008-01-30 2014-01-07 Airbus Operations Gmbh Aircraft fuel cell system
DE102011015827A1 (en) * 2011-04-01 2012-10-04 Liebherr-Aerospace Lindenberg Gmbh Pressurized air conditioning system i.e. conditioned service air system, for use in aircraft to produce oxygen-depleted exhaust air, has air supply sources formed by air conditioners or air conditioning systems

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